1瓦斯来源与危害

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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层甲烷垂向分带
瓦斯风化带 甲烷带
N2 O2
CH4
CH4CH4 CH4
CH4
形成原因：当 煤层直达地表 或直接为透气 性较好的第四 系冲积层覆盖 时，由于煤层 中瓦斯向上运 移和地面空气 向煤层中渗透， 使煤层内的瓦 斯呈现出垂直 分带特征。
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
（CnH2n）、烯烃、炔烃、芳香烃等。
矿 井
其他气体，H2、CO、H2S等
气
体
有毒性气体： CO、H2S、SO2、NH3、NO2、NO等
的
分 类
窒息性气体： N2、CH4、CO2、H2等
放射性气体： Rn
有的气体既是可燃可爆气体，又是有毒性气体和窒息性气体。上述气 体统称为有毒有害气体。
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一、矿井瓦斯的概念与性质
瓦 斯
生产过程中生成的气体：炮烟、内燃机尾气、充电氢气
来 源
化学、生物反应生成的气体：煤自燃（CO）、矿物质氧化（SO2、 H2S）、坑木等腐烂
放射性物质蜕变过程中生成的气体：Rn（氡）、He（氦）
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一、矿井瓦斯的概念与性质
1. 矿井瓦斯的概念
可燃可爆气体: 烃类气体，如CH4、链烷烃（CnHn+2）、环烷烃
矿井瓦斯煤尘灾害救灾技术
主讲：陈向军 副教授、博士、总工程师 河南理工大学瓦斯防治技术及装备研究所
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第1节 矿井瓦斯来源与危害
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一、矿井瓦斯的概念与性质
1. 矿井瓦斯的概念
瓦斯，又称甲烷，或沼气，CH4，Gas
瓦斯概念
广义： 矿井有毒有害气体的总称。 狭义： 专指甲烷。
煤层、围岩瓦斯能涌出到矿井的部分：CH4、CO2等
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四、煤层瓦斯压力
3. 煤层瓦斯压力随深度的变化规律
p p C(H H ) p p0 C(H H0 )
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四、煤层瓦斯压力
4. 煤层瓦斯压力测定概述
（1）测定方法 分为直接测定法和间接测定法。
直接测定法：通过在煤层内打钻、封孔、压力恢复测定煤层瓦斯压 力的方法。
间接测定法：利用已知的煤层瓦斯含量、吸附常数、煤质参数等进 行计算的方法。
CO2
CH4
CO2— N2 带 生物化学—空气 20～80 20～80
10
N2 带
空气
＞80 10～20 20
N2—CH4 带 空气—变质
～80 10～20 ～80
CH4 带
变质
20
10
＞80
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
矿区 抚顺 北票（台吉） 南桐（鱼田堡） 涟邵（洪山殿） 红卫（里王庙） 郴州（三五矿） 焦作（焦西）
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二、煤层瓦斯的生成
3. 不同成煤期的瓦斯生成量
煤化
成气阶段（期）
500
阶段
褐 煤
长 焰 煤
气 煤
肥煤 焦煤
瘦 煤 贫煤
半无 烟煤 无烟
煤
CH4 重烃
连续生成
I
CO2+CO
II 不连续生成
III
甲烷生成量(m3/t)
419 400
339
300 287
270
229 212 200 168
100 68
各向大小相等，方向与孔团壁垂直。 （2）实质
煤层中的游离瓦斯（气态）所呈现出来的压力。吸附态瓦斯由于失去 了气态属性，对外不呈现压力。 （3）意义
煤层瓦斯压力是含量的决定因素，也是瓦斯流动的动力源，同时也是 瓦斯突出的重要能量来源之一。 （4）重要性
是瓦斯防治技术领域最重要的基础参数之一，研究瓦斯储量、瓦斯涌 出、瓦斯流动、瓦斯油放与瓦斯突出问题均需要该参数。
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四、煤层瓦斯压力
2. 国内外煤层瓦斯压力概况
迄今为止，我国测定最大瓦斯压力：8.25MPa，北票台吉矿-550水平， 埋深729m；
世界实测最大瓦斯压力：13.6MPa，乌克兰顿巴斯彼得罗夫深矿， 1425m。
国内主要矿区煤层瓦斯压力实测结果
矿区
南桐
中梁山
松藻
天府
芙蓉
六枝
鸡西
瓦斯压力（MPa） 矿区
0
泥褐长 气肥焦 贫瘦无
煤煤焰 煤煤煤 煤煤烟
煤
煤
前苏联B．A．索科洛夫等人给出的
前苏联B.A.乌斯别斯基根据地球化学与煤化作用
腐植煤在煤化变质各阶段成气的一般模式。 过程反应物与生成物平衡原理，计算的甲烷生成量。
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二、煤层瓦斯的生成
3. 不同成煤期的瓦斯生成量
我国部分煤的热模拟实验产期结果
试验单位
石油开发研究院 （1985年）
地质矿产部石油地 质研究所（1985 年，舒兰褐煤）
38-68* 0.55
4-31 7-58 26-108 48-176 86-230 114-321 168-390 42-99 45-126 64-176 86-244 124-298 152-389 206-458
1.06 4.25 24.32 55.9 94.77 127.72 221.13
变质初期：基本单元——侧链和官能团的缩合稠环芳烃体系。
键力强
4C16H18O5 C57 H58O10 键 不4力 稳C弱 定O 2 3CH稳4定 2H 2O
泥炭羟基（-OH）
褐煤
易断裂
易脱落
C57 H58甲O基1（0 -CH3） C34H 42O5 2CH 4 CO 2 3H 2O
游离瓦斯
吸附瓦斯
吸着状态 吸收状态
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷赋存
煤中瓦斯的赋存状态一般有吸附状态和游离状态2种。 在煤层赋存的瓦斯量中，通常吸附瓦斯量占80％～90％， 游离瓦斯量占10％～20％；游离瓦斯以自由气体形式存在 （孔径大于10nm）内；吸附瓦斯分为吸着状态与吸收状态； 在吸附瓦斯量中又以煤体表面吸着的瓦斯量占多数。
1.55-6.0 水城
2.0-4.47 1.60-1.95
白沙
涟邵
1.2-8.0 乐平
1.95-3.2 1.32-1.98 3.70-5.00
淮南
焦作
平顶山
瓦斯压力（MPa） 1.10-2.40 0.87-0.95 1.46-2.40 1.53-2.10 0.76-5.85 0.74-1.43 1.40-2.07
我国确定瓦斯风化带下部边界时含量指标：
瓦斯含量（煤芯中的甲烷含量）X：
① 气煤
X=1.5～2.0m3/t；
② 肥煤与焦煤
X=2.0～2.5m3/t可燃物；
③ 瘦煤
X=2.5～3.0m3/t可燃物；
④ 贫煤
X=3.0～4.0m3/t可燃物；
⑤ 无烟煤
X=5.0～7.来自百度文库m3/t。
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
4. 甲烷带的特征
（1）煤层瓦斯含量随埋深增加而增大； （2）煤层瓦斯压力随埋深增加而增大； （3）矿井相对瓦斯涌出量随埋深增大而增大； （4）随着埋深增加，有可能出现瓦斯异常涌出、瓦斯喷出、甚至 瓦斯突出的情况。
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四、煤层瓦斯压力
1. 煤层瓦斯压力的定义与意义
（1）定义 煤层孔隙内气体分子自由热运动撞击所产生的作用力，它在某一点上
2. 甲烷的性质
无色、无味、无嗅的气体。
甲
CH4：0%
CH4：43%
烷
窒息性气体： O2：21%
O2：12%
的 性
N2：79%
N2：45%
质
正常呼吸空气 呼吸困难
CH4：57% O2：9% N2：34%
昏迷、死亡
可燃可爆性气体：5%-15%，>15%燃烧
分子直径：0.41nm
扩散性：是空气的1.34倍
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷赋存 煤是一种天然的吸附剂，具有良好的吸附性能。 煤对瓦斯的吸附属于物理吸附，即瓦斯分子煤分子之间的作
用力是剩余的表面自由力（范德华引力）。在一定条件下， 瓦斯还可以从煤中解吸出来，吸附与解吸是可逆的。
游离状态瓦斯
P or t P or t
吸附状态瓦斯
4C6 H10O5 （纤维素）
隔绝空气，65℃ 微生物
7CH
4
8CO 2

C9 H 6 O
（类烟煤）
3H 2O
特点：成煤物质埋藏浅、固结性差、透气性好，生成的瓦斯难以保存。
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤化变质作用成气时期：
褐煤层进一步沉降，在高温及地层压力在下，便进入变质作用造气阶段。
褐煤羧基（-COOH） 烟煤
C15H14醚O基（-O-） C13H 4 2CH 4 H 2O
褐煤
无烟煤
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤化变质作用成气时期： 变质中后期：在瓦斯产出的同时，芳核进一步缩合，碳元素进一步集中在碳
网中。随着煤化变质作用的加深，基本结构单元中的缩聚芳核 的数目不断增加，到无烟煤时，主要由缩聚芳核组成。
植物遗体→泥炭 成 煤 过 泥炭→褐煤 程 →烟煤(长焰、气、肥、焦、贫、瘦)
→无烟煤
生物化学成气时期 成 气 时 期 煤化变质作用成气时期
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二、煤层瓦斯的生成
2. 煤层中的瓦斯是怎样形成的？
煤层瓦斯是腐植型有机物在成煤过程中形成的。
生物化学成气时期： 植物在厌氧、潮湿，温度小于65℃的条件下产生瓦斯。 沼泽、三角洲
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
CO2
CO2-N2带 N2带
N2-CH4带 CH4带
N2 CH4
CO2
瓦
斯
风 N2
化
带
甲
烷
CH4
带
0 0.5 1.0 1.5 2.0 ml/g
0 20 40 60 %
瓦斯含量
瓦斯浓度
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
2. 煤层瓦斯的垂直分带特征
名 称 气带成因
瓦斯成分 %
N2
我国部分矿区的瓦斯风化带深度表
煤质牌号
煤层倾角(°) 瓦斯风化带深度(m)
长焰煤、气煤
80
180~205
气煤
60
115~150
瘦煤
30
70
贫煤
30
130
无烟煤
25-30
<15
无烟煤
60
<15
无烟煤
12
180
不同矿区瓦斯带深度变化很大
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
3. 瓦斯风化带的特征
我国确定瓦斯风化带下部边界时主要
矿区
阳泉
开滦
铁法
阜新
北票
抚顺
鹤岗
瓦斯压力（MPa） 0.05-2.45 2.08-2.65 3.69-4.10 1.30-1.90 2.10-8.25 0.80-4.61 0.50-4.50 23
四、煤层瓦斯压力
3. 煤层瓦斯压力随深度的变化规律
甲烷带内，同一煤层同一地质单元内瓦斯压力随深度加深而增大，多 数呈线性规律。
兰州地质研究所
（1986年，乌苏
1.61
褐煤）
2.49 22.92 53.04 4.10 24.53 54.65
* 引用国外文献数据。表中数据：阶段产气量/累计产气量/(m3/t)
113.57 115.18
183.34 325.23 184.95 326.84
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
1. 煤层甲烷赋存
未变质煤
低变质煤
褐煤 长焰煤 气煤
中变质煤
肥煤
焦煤
瘦煤
高变质煤 贫煤 无烟煤
煤炭科学研究总院 地质勘探分院 （1987年）
38-68*
3-25 10-54 27-102 55-170 108-246 134-333 268-393 41-93 48-122 65-170 93-238 146-413 172-401 306-461
最理想的测压地 点是石门揭煤前。
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四、煤层瓦斯压力
4. 煤层瓦斯压力测定概述
（3）封孔
充填封孔法
1、黄泥封孔 2、水泥砂浆封孔 3、聚氨酯封孔
主动测压法
封 孔 法 方 法
封孔器法
X abP 100 Aad M ad
1
10P
1 bP
100
1 0.31M ad
Aad——煤的通风干燥基灰分，%； Mad——煤的通风干燥基水分，%；
π——煤的孔隙率，%；
γ——煤的容重，t/m3。
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四、煤层瓦斯压力
4. 煤层瓦斯压力测定概述
（2）打钻
最理想的钻孔应 布置在没有构造、围岩 完整的岩层中，通过穿 岩钻孔测压，封孔效果 好，测压成功率高。岩 柱长度不小于5m。
采用如下指标：
在瓦斯风化带开采煤层时，煤层的相对 瓦斯涌出量达到2m3/t
瓦斯风化带 下部边界确定
煤层内的瓦斯组分中甲烷组分含量达到 80%（体积比）
煤层内的瓦斯压力为0.1～0.15MPa
煤的瓦斯含量达到2～3 m3/t（烟煤） 和5～7 m3/t（无烟煤）
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三、煤层瓦斯赋存的垂向分带
3. 瓦斯风化带的特征
密度：0.716kg/m3（标况），是空气的0.554倍。
微溶于水：3.31L/100L（20℃），5.56L/100L（0℃）。 化学性质不活泼，稳定，不会自然分解、氧化或反应。
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二、煤层瓦斯的生成
1. 煤是怎样形成的？
煤是腐植型有机物在经受长期的地层高温、高压作用，并经过漫长的 变质作用形成的。
p p C(H H )
式中:
p p0 C(H H0 )
p——甲烷带内埋深为H处的煤层瓦斯压力，MPa； p´——甲烷带内埋深为H´处的煤层瓦斯压力，MPa；
p0——风化带深度H0处的瓦斯压力， MPa； C——瓦斯压力梯度，MPa/m。
注意：甲烷带内；同一地质单元内；同一煤层。